Преобразователь ток-частота

 

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОК ЧАСТОТА , содержащий интегратор, первый вход которого подключен к источнику измеряемого тока, генератор тока, выход которого через первый ключ соединен с первым входом интегратора, через второй ключ.- с общей шиной преобразователя и через усилитель.переменного тока - с первым входом первого синхронного детектора , выход которого соединен с вторым входом интегратора, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, второй выход - к управляющему входу первого ключа, вто- i рому входу первого синхронного детектора и выходной шине преобразователя , о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точ- . ности, в него введены третий ключ, образцовый источник тока, интегрирующее звено второй синхронный детектор, интегрирующе-инвертирующее звено, управляемой источник тока и генератор импульсов, причем вход третьего ключа соединенс выходом генератора тока, выход третьего ключа - с входами образцового источника тока и интегрирующего звена, выходы которых подключены к общей шине преобразователя, выход усилителя переменного тока подключен к первому входу второго синхронного детектора, выход которрго через интегрирующе-инвертирующее звено BCFi Aio3|i l 13li соединен с входом управляемого vicточника тока, выход которого соединен с выходом генератора тока, выход генератора импульсов подключен к второму входу блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа и к второму входу второго синхронного детектора-.. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит четыре инвертора , девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три D-триггера, причем выход интегратора соединен с входом первого инвертора и является первым входом блока управления, выход первого инвертора подключен (Л к первым входам первого, второго и третьего элементов И-НЕ, вход делис теля ;частрты подключен к входу второго инвертора, первому входу четвертого элемента И-НЕ и С-входу пер|вого D -триггера и является вторым .входом блока управления, выход делителя частоты соединен с S -входом второго D-триггера и с входом третьего инвертора, выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с 5-входом третьего D -тригтера , выход третьего элемента И-НЕ 00 N5 соединен с первым входом пятого /элемента И-НЕ, выход которого соеди .ней с -входом третьего -триггера , -вход jtoToporo соединен с выходом второго инвертора, а прямой выход третьего -триггера соединен с вторым входом .четвертого элемента И-НЕ и с первыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-НЕ соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ подключен к первому входу восьмого элемента И-НЕ, выход которого соединен с D-входом первого D-триггера, прямой

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(51) H 0 3 К 1 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТ0РСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(ф(f !! É ë ð д q

Иь: .

ЕеееМЬВэев Еечк» «к !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ,(21) 3585468/18-21 (22) 27.04.83 (46) 07.07.84. Бюл. 9 25, (72) A.П.Бондарев и A.В.Морозов (53) 681. 325 (088.8) (56 ) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 330537, кл. Н 03 K 13/20, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 712951, кл. H 03 К 13/02, 1975в (54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОК—

ЧАСТОТА, содержащий интегратор, первый вход которого подключен к источнику измеряемого тока, генератор тока, выход которого через первый ключ соединен с первым входом интегратора, через второй ключ . — с общей шиной преобразователя и через усилитель переменного тока — с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с вторым входом интегратора, выход которого,соедииен с первым входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, второй выход — к управляющему входу первого ключа, второму входу первого синхронного детектора и выходной шине преобразователя, отличающийся тем, чта, с целью повышения точ- . ности, в него введены третий ключ, образцовый источник тока, интегрирующее звено, второй синхронный детектор, интегрирующе-инвертирующее звено, управляемый источник тока и генератор импульсов, причем вход третьего ключа соединен. с выходом генератора тока, выход третьего ключа — с входами образцового источника тока и интегрирующего звена, выходы которых подключены к общей шине преобразователя, выход усилителя переменного тока подключен к первому входу второго синхронного детектора, выход которого через интегрирующе-инвертирующее звена

„„SU„„1102032 А соединен с входом управляемого источника тока, выход которого соединен с выходом генератора тока, выход ген ер ат ор а импул ь сов подключен к второму вхЬду блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа и к второму входу второго .синхронного детектора.

2. Преобразователь по и. 1, о т лич ающи и с я тем, что блок управления содержит четыре инвертора, девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три Р -триггера, причем выход интегратора соединен с входом первого инвертора и явля— ется первым входом блока управления, Я выход первого инвертора подключен к первым входам первого, второго и третьего элементов И-НЕ, вход делиуелл чеокочы подключен к входу вео- С рого инвертора, первому входу четвертого элемента И-НЕ и С -входу пер- Я ! ваго D -триггера и является вторым

:входом блока управления, выход делителя частоты соединен с S -входом второго D -триггера и с входом третьего инвертора,. выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с 5-входом третьего 3 -триг.гера, выход третьего элемента И-НЕ

»соединен с первым входом пятого элемента И-НЕ, выход которого соединен с -входам третьего -триггера, -вход которого соединен с выходом второго инвертора, а прямой выход третьего -триггера соединен с вторым входом .четвертого элемента

И-HE и с первыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-HE соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ подключен к первому входу восьмого элемента И-НЕ, выход которого соединен с

D-входом первого 3-триггера, прямой

1102032

2 шиной преобразователя и через усилитель переменного тока — с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с вторым входом интегратора, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, второй выход — к управляющему входу первого ключа, второму входу, первого синхронного детектора и выходной шине преобразователя, введены третий ключ, образцовый источник тока, . интегрирующее звено, второй синхронный детектор, интегрирующеинвертирующее з вено, управляемый источник тока и генератор импульсов, причем вход третьего ключа соединен с выходом генератора тока, выход третьего ключа — с входами образцового источника тока и интегрирующего звена, выходы которых подключены к общей шине преобразователя, выход, усилителя переменного тока подключен к первому входу второго синхронного детектора, выход которого через интегрирующе-инвертирующее звено соединен с входом управляемого источника тока, выход которого соединен с выходом генератора тока, выход генератора тока импульсов подключен к второму входу блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа и к второму входу второго синхронного детектора. 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано " электронной технике, электротехнике и других областях науки и техники. 5

Известен преобразователь ток— частота, основанный на компенсации измеряембго тока образцовым зарядом (13.

Недостатком известного преобразова-1п теля является низкая точность преобраз ов анин.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь ток — частота, содержащий интегратор, на вход которого подключается выход источника тока, два ключа, соединенные с генератором тока, выход первого ключа подключен ко входу интегратора, выход второго — к общей шине, последовательно соединенные усилитель переменного тока и синхронный детектор, выход которого соединен с неинвертирующим входом интегратора, а второй вход синхронного детектора подан на выход устройства, выход усилителя переменного тока соединен с выходом генератора тока (23.

Недостаток известного устройства — низкая точность, обусловленная тем, что остаются нескомпенсированными составляющие погрешности, вызванные,нестабильностью длительности импульсов, управляющих ключами, а З5 также зарядов, наводимых управляющими импульсами.

Цель изобретения — повышение точности преобразования тока в частоту.

Поставленная цель достигается 4g тем, что в преобразователь ток— частота, содержащий интегратор, первый вход которого подключен к источнику измеряемого тока, генератор тока, выход которого через первый 45 ключ соединен с первым входом интегратора, через второй ключ — с общей выход которого соединен с вторым входом восьмого элемента И-НЕ, с третьи входом второго элемента И-НЕ, с вторым входом третьего элемента, И-НЕ и с входом четвертого инвертора, инверсный выход первого 3 -триггера соединен с вторыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ и с первым входом девятого элемента

И-НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом третьего 3 -триггера, второй вход первого элемента !

И-НЕ соединен с инверсным выходом второго D -триггера, прямой выход которого соединен с третьи входом третьего. элемента И-НЕ, С -вход второго 3-триггера соединен с выходом четвертого элемента И-НЕ, а 3 -вход его подключен к общей шине преобразователя, выходы четвертого инвертора и девятого элемента И-НЕ явЛяются первым и вторым выходами блока управления, третьи выходом которого является выход шестого элемента И-НЕ.

Блок управления содержит четыре инвертора, девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три 9 -триггера, причем выход интегратора соединен с входами первого инвертора и является первым входом блока управления, выход первого инвертора подключен к первым входам первого, второго и третьего элементов И-НЕ, вход делителя частоты подключен . к входу второго инвертора, первому входу четвертого элемента И-НЕ и

110?032

С-входу первого 9 -триггера и является вторым входом блока управле ния, выход делителя частоты соединен с 5 -входом второго D †òðèããåра и с входом третьего инвертора, выход которого подкпючен к второму входу второго элемента И-НЕ, выход$0 которого соединен с 5 -входом третьего D -триггера, выход третьего элемента И-НЕ соединен с первым входом пятого элемента И-НЕ, выход которого соединен с D -входом третьего D -триггера, С -вход которого соединен с выходом второго инвертора, а прямой выход третьего

3 -триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И-НЕ и с первыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-HE соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ, выход первого 2О элемента И-НЕ подключен к первому входу восьмого элемента И-НЕ, выход которого соединен с 2 -входом первого D -триггера, прямой выход которого .соединен с вторым входом вось- 25 мого элемента И-НЕ, с.третьим входом второго элемента И-НЕ, с вторым входом третьего элемента И-НЕ и с входом четвертого инвертора, инверсный выход первого Э-триггера соединен с вторыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ и с первым входом девятого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом третьего D -триггера, второй -вход первого элемента И-НЕ соединен с инверсным выходом второго D -триггера, прямой выход которого соединен с третьим входом третьего элемента И-НЕ, С- вход второго D -триггера соединен с выходом 40 четвертого элемента И-НЕ, а 3 -вход

его подключен к общей шийе преобразователя, выходы четвертого инвертора,и девятого элемента И-.НЕ являются первым и вторым выходами 45 блока управления, третьим выходом которого является выход шестого элемента И-НЕ.

На фиг.1 приведена ст,.уктурная схема преобразователя ток — частота; на фиг. 2 — структурная схема блока управления. на фиг. 3 — временные диаграммы.

Преобразователь ток — частота содержит интегратор 1, первый ключ 2, второй ключ 3, генератор 4 тока, усилитель 5 переменного тока, первый синхронный детектор 6, третий ключ 7, образцовый источник 8 тока, интегрирующее звено 9, второй синхронный детектор 10, интегрирующеинвертирующее звено 11, управляемый источник 12 тока, генератор 13 импульсов, блок 14 управления.

Блок 14 управления (фиг. 2) содержит первый интегратор 15, элемен- 65 ты И-HE: первый 16, второй 17 и третий 18; делитель 19 частоты, второй инвертор 20, четвертый элемент

И-НЕ 21, первый D -триггер 22, второй D -триггер 23, третий инвертор 24, третий D -триггер 25, элементы И-HE:.ïÿòûé 26, шестой 27, седьмой 28 и восьмой 29; четвертый инвертор 30 и девятый элемент

И-НЕ 31.

На временных диаграммах (фиг.3) показаны: 32 — входной ток 3ц„

33 — напряжение на выходе интегра,тора 1 U„ T ; 34 — ток первого ключа 2; 35 — импульсы на выходе делителя частоты 19; 36 — образцовый ток источника S; 37 — ток третьего ключа 7; 38 — ток второго ключа 3; 39 — напряжение на выходе усилителя 5 переменного тока; 40 ток Э„ на выходе второго синхронногс детектора 10; 41 — ток 3 на выходе управляемого источника тока 12.

Преобразователь ток — частота содержит интегратор 1, на первый вход которого подается измеряемый ток, два ключа 2 и 3, соединенные с генератором 4 тока, выход первого ключа . подключен к инвертирующему входу интегратора 1, выход второго ключа 3— к общей шине, последовательно соединенные усилитель 5 переменного тока и синхронный детектор 6, выход которого соединен с неинвертирующим входом интегратора 1, а второй вход подан на выход устройства, вход усилителя 5 переменного тока соединен с выходом генератора 4 тока.

Кроме того, преобразователь ток— частота содержит третий ключ 7, соединенный с генератором 4 тока, гараллельно соединенные образцовый источник 8 тока и интегрирующее звено 9, последовательно соединенные второй синхронный. детектор 10, интегрирующе-инвертирующее звено 11, управляемый источник 12 тока; а также генератор 13 импульсов, соединенный с блоком 14 управления, причем выход -. ðåòüåãî ключа 7 соединен с образцовым источником тока 8 и интегрирующим звеном 9, вторые выводы которых поданы на.общую шину, вход второго синхрбнного детектора 10 соединен с выходом усилителя 5 переменного.тока, выход управляемого источника тока 12 соединен с выходом генератора 4 тока, вход блока 14 управления соединен с выходом интегратора 1, второй выход блока 14 управления соединен с управляющим входом первого ключа 2 и с вторым входом. первого синхронного детектора 6, первый выход блока 14 управления соединен с управляющим, входом второго ключа 3, третий выход блока 14 управления соединен с управляющим входом третьего ключа 7 и вторым

1102032

40 входом второго синхронного детектора 10.

Блок 14 управления содержит четыре инвертора, девять элементов

И-HE делитель частоты и три D -триггера, причем вход первого инвертора 15 соединен с выходом интегратора 1, а выход инвертора 15 подклю чен к первым входам первого 16, второго 17 и третьего 18 элементов

И-НЕ, выход генератора 13 импуль- 10 сов подключен к входам делителя 19 частоты, второго йнвертора 20, к первому входу четвертого элемен- та И-НЕ 21. С -вход первого D -триггера 22 и выход делителя 19 частоты соединены с S -входом второго

D-триггера 23 и с входом третьего инвертора 24, выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ 17, выход которого соединен с 5 -входом третьего Р -триггера 25, выход третьего элемента И-НЕ 18 соединен с первым входом пятого элемента И-HE 26, выход которого соединен с Э -входом третьего Э -триггера 25, C †вх которого соединен с выходом второго инвертора 20, а прямой выход 3 -триггера 25 соединен с вторым входом четвертого элемента

И-HE 21 и с первыми входами шестого 27 и седьмого 28 элементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-НЕ 28 соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ 29, выход которого соединен c D -входом.первого 9 -триггера 22, прямой выход которого соеди- 35 нен с вторым входом элемента И-НЕ 29 с третьим входом второго элемента

И-HE 17 и с вторым входом третьего элемента И-НЕ 18, а также с входом четвертого инвертора 30, инверсный выхоД первого D -триггера 22 соединен с вторыми входами шестого 27 и седьмого 28 элементов И-HE и с первым входом девятого элемента, И-НЕ31, второй вход первого элемен- 4 та И вЂ” НЕ 16 соединен с инверсным выходом второго П -триггера 23, прямой выход которого соединен с третьим входом третьего элемента И-НЕ 18, С-вход второго 1 -триггера 23 соеди— нен с выходом четвертого элемента

И-НЕ 21, à Q -вход этого триггера подключен к общей шине устройства, выход шестого элемента И-НЕ 27 под55

его ключа 7, выход четвертого инвертора 30 соединен с управляющим входом второго ключа 3, а выход девятого элемента И-НЕ 31 соединен с управляющим входом первого ключа 2, второй вход которого соеди— 60 нен с инверсным выходом третьего

Э-триггера.

Устрой ство работ ает следующим . бразом.

На вход интегратора 1 подается преобразуеьий ток 32 (фиг.3). Этот ток заряжает конденсатор интегратора 1. Потенциал 33 (фиг.3) на выходе интегратора 1 изменяется.

По достижении заданного порогового напряжения блок 14 управления фор мирует управляющие, импульсы для ключа 3 на закрытие его и для ключа 2 — на открытие его. Генератор 4 тока коммутируется на время действия импульса на входе интегратора 1. При этом происходит разряд конденсатора интегратора 1 порцией тока

34 (фиг. 3) стабильной величины. По окончании импульса тока 34 ключ 2 закрывается, ключ 3 открывается и коммутирует генератор 4 тока на общую шину. Погрешность генератора образцовых зарядов, вызванную различием сопротивлений ключей 2 и 3 и напряжений, приложенным к ним, компенсируется при помощи блоков 5 и б. Усилитель 5 переменного тока усиливает импульс, возникающий в общей точке блоков 2 — 4, а синхронный детектор б детектирует его u сглаживает. Полученный потенциал подается на синфазный вход усилителя интегратора 1. Так как преобразователь охвачен импульсной обратной связью, это напряжение передается на вход преобразователя ток — частота, уменьшая но много раз импульс, а вместе с ним и погрешность преобразователя ток — частота.

Для уменьшения погрешности преобразователя ток — частота, вызванной нестабильностью длительности импульсов, открывающих ключи 2 и 3, а также нестабильностью зарядов; наводимых импульсами управления ключами

2 и 3, в предлагаемое устройство введены блоки 7-14.Делителем 19 частоты блока 14 н устройстве генерируются импульсы 35 (фиг.3) образцовой частотыи ток 36 (фиг. 3) образцовым источником тока 8.Блок 14 управления вырабатывает управляющие импульсы со стабильно р йс ед ней частотой 37 для ключа 7 и импульсную последовательность 38 (фиг.3) для ключа 3. Если величина образцового заряда изменяется (например уменьшается), то их сумма за единицу времени будет меньше, чем ток 36 (фиг.3) образцового источника 8 тока. Поэтому начнет расти напряжение на интегрирующем звене 9, а в общей точке блоков 2 — 4 и 7 появляется импульс положительной полярности, который усиливается блоком 5 и сем 1С лектируется синхронным детекторо поэтому на выходе его появляется только импульс 40 (фиг. 3) во время коммутации тока ключом 7. После усиления, инвертирования и сглаживания инвертирующе-интегрирующим звеном 11 напряжение поступает на, управ правляемый источник 12 тока, кот

11020 32 рый в простейшем случае выполнен на сопротивлении, ток 41 (фиг. 3) этого источника 12 добавляется к то. ку генератора 4, поэтому образцовый заряд увеличивается.Аналогично происходит комйенсация погрешности и при увеличении образцового заряда. формирование импульсов для управления ключами 2, 3 и 7 производится блоком 14 управления, который состоит из суб-блоков 15 — 31 (фиг.2). Импульсы для управления ключами формируются l3 -триггером 22, длительность импульса задается генератором 13 и одинакова для ключей 2 и 7. Э -триггер 25 открывает один из элементов И-НЕ, если нужно открыть ключ 2, то девятый

31, если ключ 7, то шестой 27.

Переключение 9 -триггера 25 начинается до импульса, подаваемого на ключ 7, возвращение его в исходное состояние производится после окончания этого импульса, поэтому влияние на длительность импульса 71 D -триггер 25 не оказывает, Если импульс 35 образцовой частоты совпадает с импульсом выходной частоты, то производится коммутация входного тока ключом 2, а факт этого совпадения запоминается 3 -триггером 23. Импульс образцовой частоты

35 переносится на следующий такт (37;третий импульс ), после чего

9-триггер 23 сбрасывается. Величина компенсированной погрешности может быть определена,как о5р обр

Где и „, di — величина нестабильности импульсов,.подаваемых на ключи 2 и 7 соответственно;, Ȅ— заряды, наводите 1 Z при переключении в ключах 2 и 7;

G h р — заряды, наводимые при переключении ключа 3.

Из этой формулы следует, что уменьшение погрешности в предлагаемом преобразователе зависит от степени симметрии схем (й҄— а, 9>„-8 ) . и может быть весьма значй 2 тельно. Длительность импульса определяется Я -триггером 22, инвертор 30 и элементы И-НЕ 27 и 31 могут быть выполнены на одном корпусе (например К155ЛА4 ) и иметь близкие параметры, ключи 2 и 7 тоже могут

15 быть выполнены на двойном полевом транзисторе. Поэтому первая и вторая составляющие погрешности могут быть уменьшены в сотни раз, а третья— почти полностью. Мультипликативная составляющая погрешности снижается в данном устройстве в десятки раз, что позволяет повысить в это же число раз точность измерений, обнаруживать и измерять физические эффекты, которые при использовании других преобразователей нельзя обнаружить, и более точно измерять уже известные величины.

Предлагаемый преобразователь ток— частота может найти широкое приме- . нение во многих областях науки и техники: в ядерной физике, реакторной технике (измерение реактивности, периода, мощности и т.д.), полупроводниковой технике и т.д. Во всех этих областях можно существенно повысить точность измерений, что часто дает экономический эффект (сокращение времени измерений, повыше40 ние мощности и время работы энергетических установок и т.д.) °.1102032

Lfrrod

Рт иит.1 Ю am ГМ17

4lcrc. 2

1102032

Þ2

Составитель В.Пешков

Редактор Н.Яцола Техред М.Кузьма .Корректор Г.Решетник

Эаказ 4782/43 Тираж 862 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4